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光学物理学

光学物理学

‘Ring of 特殊点’ appears on a 狄拉克锥

Ring of light: 特殊点 on a distorted 狄拉克锥

美国和新加坡的物理学家已经开发出一种具有奇特光学特性的材料,使其对光既透明又可以反射。这种材料类似于一块薄玻璃板上,上面钻有小孔,可以用来提高某些激光器的输出并检测极少量的生物和化学材料。

当光在不损失能量的情况下通过透明材料传播时,系统可以用一组具有实数值的能量状态来描述。相反,如果光在传输过程中被吸收,则能量状态用复数表示–虚部描述吸收过程。复杂的能量状态的一个令人着迷的元素是,可能有“exceptional points”其中两个或多个能量状态具有相同的值。在发生这种情况的情况下,能量状态之间的相互作用会导致系统运行,好像没有能量损失发生一样。在实验室中观察到的一个例子是“损耗引起的光学透明度”,因此通常是不透明的材料可以在特定方向上透射光。

圆锥变形

现在, Marin 索利亚čić,麻省理工学院(MIT)的John Joannopoulos及其同事创造了一种光子晶体,该晶体在其“Dirac cone” –这是一个锥形函数,描述了材料中光的频率和动量之间的关系(见图)。它们的晶体是一层薄薄的氮化硅层,被钻孔以形成正方形的孔洞(直径218) nm) separated by 336 nm. The size and separation of the holes was chosen so that the system is described by a 狄拉克锥. A true 狄拉克锥 has real energy states, so the team needed to distort the cone so that the states are complex. This was done by simply making a silicon-nitride layer with a finite thickness of 180 纳米在这种情况下,虚分量对应于从光子晶体辐射出的光,而不是被吸收的光。

Calculations and simulations done by the team suggest that when the photonic crystal is immersed in a liquid with a specific index of refraction, a ring of 特殊点 should appear around its distorted 狄拉克锥 (see figure). This was confirmed by firing light at the crystal and measuring how much was reflected at different incident angles and frequencies. The data reveal a sharp drop in the reflectivity for incident light that is on the ring of 特殊点. This effect is called “耦合谐振器引起的透明度” – or CRIT –研究小组认为,它可以用于提高某些光学设备的性能。

索利亚čić认为该效应可用于将基于光子晶体的激光器的输出提高10倍。“光子晶体表面发射激光器是下一代高质量,高功率紧凑型激光器系统的非常有希望的候选者,” he says.

“由于其极高的灵敏度,我们的系统还可用于生物或化学材料的高精度检测器,” adds team member 许家伟。这是因为浸液的微小变化会对CRIT产生很大影响。

该研究描述于 性质.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者